Componentes de la nueva tecnología by SoleSpataro

Componentes de la nueva tecnología Introducción

En la actualidad no se puede pensar en casi ninguna actividad en la cual no intervengan de alguna manera los procesos de cómputo. Las computadoras han invadido la mayoría de las labores del ser human El mundo está cambiando y deberemos aprender todas esas, antes complicadas, hoy comunes tecnologías modernas que le permitirán conseguir un empleo mejor retribuido y quizás, en poco tiempo, realizar trabajos desde la comodidad de su hogar (teletrabajo), reduciendo el tráfico en las calles y por ende la contaminación de las grandes ciudades. La mayoría de los gobiernos de los países en desarrollo han tomado muy en serio los programas de educación para crear en sus poblaciones una "cultura informática". Definitivamente, las computadoras están cambiando nuestras vidas. Ahora hemos de aprenderla para no quedar inmersos en una nueva forma de analfabetismo. Las mismas contribuyen a la creación de nuevos esquemas sociales que incluyen: novedosas maneras de comercialización aprovechando las facilidades para comunicarse con todo el mundo a través de Internet; la necesidad de crear leyes adecuadas a la realidad cibernética actual y, sobre todo; la concepción de una nueva manera de relacionarse con nuestros semejantes, que contemple una serie de normas éticas que regulen la convivencia pacífica y cordial entre los millones de personas que tienen que utilizar estas avanzadas tecnologías para realizar su trabajo, estudio, descanso y esparcimiento diarios. Básicamente “Generación de computadoras” es un término relacionado con la evolución y adaptación de la tecnología y de la informática. Es decir que cada avance importante, como la reducción del tamaño de los elementos tales como procesadores y memorias, así también como el aumento de su capacidad y velocidad, se produce un salto generacional. Con cada uno de estos saltos, los equipos informáticos y dispositivos electrónicos, son cada vez más pequeños y

económicos, garantizando de este modo que sea cada vez mayor la cantidad de consumidores que los compran. Al respecto de este punto, a principios de la década de los 80, era prácticamente imposible encontrar un hogar que tuviera una computadora. Este panorama ha cambiado radicalmente, al punto que es prácticamente imposible encontrar un lugar en el mundo en donde una computadora no se encuentre realizando una tarea. Todo se inició en los albores de la década del 40 con ENIAC, y la última etapa de la quinta generación de computadoras fue anunciada como la de las "computadoras inteligentes" basadas en Inteligencia Artificial, iniciada por un famoso proyecto en Japón, y que finalizó en un estrepitoso fracaso; a partir de ahí, la cuenta de las generaciones de computadoras es un poco confusa. La sexta generación se podría llamar a la era de las computadoras inteligentes basadas en redes neuronales artificiales o "cerebros artificiales". Serían computadoras que utilizarían superconductores como materia-prima para sus procesadores, lo cual permitirían no malgastar electricidad en calor debido a su nula resistencia, ganando performance y economizando energía. La ganancia de performance sería de aproximadamente 30 veces la de un procesador de misma frecuencia que utilice metales comunes. La sexta generación de computadoras está en marcha desde principios de los años noventa, hasta la fecha. En ella se aluden los avances tecnológicos de la última década del siglo XX y lo que se espera lograr en el siglo XXI. Las computadoras de esta generación cuentan con arquitecturas combinadas Paralelo / Vectorial, con cientos de microprocesadores vectoriales trabajando al mismo tiempo; se han creado computadoras capaces de realizar más de un millón de millones de operaciones aritméticas de punto flotante por segundo (teraflops); las redes de área mundial (Wide Área Network, WAN) seguirán creciendo desorbitadamente utilizando medios de comunicación a través de fibras ópticas y satélites, con anchos de banda impresionantes. Las tecnologías de esta generación ya han sido desarrolladas o están en ese proceso. Algunas de ellas son: inteligencia / artificial distribuida; teoría del caos, sistemas difusos, holografía, transistores ópticos, etcétera. La investigación acerca de las generaciones de las computadoras nos da cuenta del avance que han tenido y , gracias a los avances en relación a ellas hemos alcanzado un nivel de tecnología muy elevado el cual nos ha servido para muchas áreas, como por ejemplo las comunicaciones, la medicina, la educación, etc.

Todo esto está en pleno desarrollo, por el momento las únicas novedades han sido el uso de procesadores en paralelo, o sea, la división de tareas en múltiples unidades de procesamiento operando simultáneamente. Otra novedad es la incorporación de chips de procesadores especializados en las tareas de vídeo y sonido. Esta manía de enumerar las generaciones de computadoras parece que se ha perdido. Ya no suceden, como ocurrió en las cuatro primeras generaciones, la sustitución de una generación de computadoras por las siguientes. Muchas tecnologías van a sobrevivir juntas, cada una en su sector de mercado. La investigación actual va dirigida a aumentar la velocidad y capacidad de las computadoras se centra sobre todo en la mejora de la tecnología de los circuitos integrados y en el desarrollo de componentes de conmutación aún más rápidos. Se han construido circuitos integrados a gran escala que contienen varios millones de componentes en un solo chip Es una realidad que los chips son cada vez más chicos, rápidos y eficientes... ¿será la característica de la séptima generación de computadoras?

Componentes de la nueva tecnología

No obstante que la tecnología ha avanzado notablemente los especialistas continúan investigando e integrando nuevas mejoras, desarrollan nuevos elementos como es el caso de los biosensores, los biochips y los opto-componentes que muy probablemente formen parte de las próximas generaciones de computadoras.

BIOSENSORES: Se forman uniendo elementos biológicos (células) que reaccionan ante la presencia de la sustancia que se desea detectar y elementos electrónicos que interpretan procesan y transmiten esas reacciones hacia el sistema que las necesite. Los biosensores pueden ser utilizados ampliamente en el análisis clínico, terapéutica, veterinaria, agricultura, monitorización de procesos industriales y control de polución y medio ambiental, etc. (ver tabla 1) Tienen el atractivo de ser de bajo coste, pequeños, sensibles, y fáciles de usar.

Tabla 1: Utilización de los biosensores en diversos campos y crecimiento anual de sus usos en ellos.

Se componen de tres partes:

El sensor biológico: Puede ser un tejido, un cultivo de microorganismos, enzimas, anticuerpos, cadenas de ácidos nucleicos, etc. El sensor puede ser tomado de la naturaleza o ser un producto de la biología sintética. El transductor: Acopla los otros dos elementos y traduce la señal emitida por el sensor. El detector: Puede ser óptico, piezoeléctrico, térmico, magnético, etc.

Biosensores: necesidades y retos •

Miniaturización e integración

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Reutilización

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Investigación sobre nuevos bioreceptores

 Mejora estabilidad; reducción costos, productos semisintéticos, Desarrollo de materiales con

propiedades mejoradas  Inmovilización, baja adsorción inespecífica,… •

Nuevos formatos, p.e., sin marcaje, desplazamiento; pre-calibrado

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Integración del proceso analítico (Preparación, muestra y análisis)

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Mejora de prestaciones: compatibilidad con disolventes orgánicos,…

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Ensayos multiparamétricos, screening,…

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Evolución de índices (calidad, toxicidad,…)

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Validación de sistemas y metodologías

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Reducción de costes

Propiedades de un buen Biosensor (Ver tabla 2)

Tabla 2: Propiedades que debe poseer un buen biosensor

Historia de los biosensores

Los biosensores, al igual que cualquier otro tipo de instrumento, han evolucionado a lo largo de la historia. Anecdóticamente, podríamos decir que los primeros biosensores fueron los canarios; ya que estas aves se utilizaban antiguamente en las minas de carbón para detectar gases tóxicos. Los canarios se mueren antes que las personas en presencia de monóxido de carbono o metano y como suelen estar cantando la mayoría del tiempo el hecho de que no lo hicieran se convertía en una alarma sonora. Pero, al margen de este hecho anecdótico, se puede decir que el padre de estos dispositivos es Leland C. Clark Jr., que en 1956 finalizó sus trabajos con el electrodo de O2, pero no se conformó y con la idea de ampliar su uso al de medir más analitos en el cuerpo humano, en 1962 propuso hacer sensores “más inteligentes”. Lo que él quería decir con esto era que sería una buena idea combinar las enzimas y otros materiales biológicos con los sensores electroquímicos que había hasta esa época. Con esta idea, y con la ayuda de Lyon, construyó el primer biosensor. Éste consistía en un electro de O2 con la enzima glucosa oxidasa inmovilizada. Permitía relacionar directamente la 7

concentración de glucosa con la disminución de la concentración de oxígeno. Posteriormente, Guilbault y Montalvo detallaron el primer electrodo enzimático potenciométrico basado en la inmovilización de la enzima ureasa sobre un electrodo selectivo de amonio. En 1975 esto se convirtió en una realidad comercial, poniéndose a la venta el primer analizador de glucosa basado en la detección amperométrica de peróxido de hidrógeno (agua oxigenada) en Ohio. Este fue el primer biosensor a la venta de los muchos que se comercializarían más adelante. También en este mismo año Divis se preguntó: ¿por qué no usamos las bacterias como elemento biológico en los biosensores para medir la cantidad de alcohol en una muestra? Esta pregunta causó un gran revuelo en muchas grandes empresas de medio ambiente de Japón y otros lugares que se pusieron en marcha en su investigación y no tardaron mucho tiempo en desarrollar los electrodos microbianos. Un año antes se comenzó a usar transductores térmicos (termal enzyme probes) y los termistores enzimáticos (enzyme thermistors). Posteriormente se comenzó a usar los biosensores basados en fibra óptica, que originaron la aparición de los denominados “optados”. Éstos se usaron en un primer momento para la determinación de CO2 y O2. Más o menos 15 años después de la construcción del primer biosensor, Clemens incorporó un biosensor de glucosa en un páncreas artificial que se comercializó como el Biostator. Actualmente este biosensor ya no está en venta. En este mismo año una empresa Suiza construyó un biosensor que utilizaba el lactato deshidrogenasa; éste fue muy útil para mejorar los análisis en clínica y en deportes. En 1982, basándose en la utilización de mediadores electroquímicos para favorecer la transferencia de electrones desde el centro redox de una enzima a la superficie del electrodo se construyeron la nueva generación de biosensores electroquímicos. Basándose en esto se describió la implantación de un biosensor subcutáneo para la determinación de glucosa. Volviendo a la década de los 70; en ella también se intentaron construir inmunosensores inmovilizando anticuerpos y utilizando transductores piezoeléctricos o potenciométricos, aunque fue en la década de los 80 cuando Liedberg los comercializó con éxito. En 1987 mediante la utilización de mediadores electroquímicos inmovilizados en electrodos enzimáticos serigrafiados se consiguió construir el “bolígrafo” para el seguimiento personal de glucosa en la sangre, comercializado por MediSense. Actualmente las compañías Abbott Boehringer Mannheim y Bayer dominan las ventas de éste bolígrafo lo que da lugar a unas ventas del orden de varios cientos de

millones de dólares; y está desbancando casi totalmente a los métodos convencionales de medir la glucosa. Actualmente existen multitud de biosensores en los cuales se combinan la amplia diversidad de componentes biológicos (enzimas, ácidos nucleicos, receptores celulares, anticuerpos y células intactas) con los diferentes tipos de transductores (electroquímicos, ópticos, piezoeléctricos, termométrica). Éstos se pueden utilizar en numerosos problemas de la actualidad como el análisis clínico, de alimentos, bebidas, vigilancia del medio ambiente, defensa, seguridad y muchas más áreas.

Una Nueva Generación De Biosensores

Los MIPs (Polímeros que contienen una memoria molecular impresa) tienen unas propiedades únicas que los hacen especialmente sensibles a la tecnología de sensores. Exhiben buenas especificaciones de varios componentes para el interés médico, medioambiental y de industria; y tienen una excelente estabilidad operacional. Sus propiedades reconocidas no son afectadas por ácidos, bases, calor o tratamiento en fase orgánica, haciéndolos altamente aceptables como elementos de reconocimiento en sensores químicos. Durante algunos primeros ensayos los MIPs se usaban en sensores que tenían un papel en medidas ópticas sobre finas capas de vitamina K1 donde estaban impresos polímeros. Otro biosensor incluía la medida de cambios en el potencial eléctrico sobre una columna de HPLC con un polímero específico de fenilalanina, que era tan bueno como los estudios de permeabilidad de membranas de MIP. De todos modos esto no se consideraba como sensores biomemorizados en el estricto sentido. Se propuso un biosensor real basado en un MIP en 1991. Este fue seguido por el primer ensayo para hacer un sensor biomemorizado basado en la capacidad de medida sobre un transistor de campoefecto cubierto con un polímero impreso de fenilalanina. Los resultados fueron cualitativos. Una subsecuencia descrita por un sensor de morfina amperométrico mostró resultados cuantitativos, se pudo detectar una concentración de morfina en un rango de 0.1-10m g/mL. También mostró una larga estabilidad térmica, resistencia al duro medioambiente químico. Otra aproximación basada en medidas conductimétricas, una señal directa es obtenida de manera obligatoria (debido al aumento de la concentración local) de las especies cargadas positivamente a

las cargadas negativamente que están cargadas en el conductímetro. La diferencia en señal entre el sensor y un sensor de referencia correlativo es la concentración del analito. Este tipo de sensor arreglado es útil sólo en matrices bien definidas en las cuales las interferencias causadas por la conductividad de la solución pueden ser controladas. También pueden ser presentadas las medidas de membranas permeables por MIP. La demostración más convincente de la utilidad de un sensor biomemorizado real basado en la impresión molecular es una fibra óptica en la cual un aminoácido fluorescente derivado (dansyl-lphenylalanine) liado a las partículas de polímero, resultan en fluorescencia señales que varían en función de los derivados. La selectividad se mostró usando el correspondiente D-enantiomero como control. Los rápidos desarrollos en electrónica han conducido a microprocesadores que son capaces de usarse en sensores químicos. Tales microprocesadores ofrecen capacidad de procesar señales, e integrar el control con el transductor de manera que se podría minimizar el ruido y resultar una buena actuación como sensor. Un problema cuando hacían medidas con sensores biomemorizados basados en MIP era el largo tiempo de respuesta (15-60 min.). Esta tardanza podría ser minimizada por la optimación de la cinética y la selectividad de los polímeros. Es posible que el uso de grandes polímeros rígidos favorezca la selectividad (porque el gran barrido de energía de dentro a fuera cambian el analito) y aumenten el tiempo de respuesta. Similarmente, la porosidad de los polímeros aumenta la capacidad de unión de polímeros y el tiempo de respuesta. Usando partículas más pequeñas de polímero o finas láminas de polímero Podrían aumentar los valores de difusión y la aparente unión cinética dando mayores tiempos de respuesta. Alternativamente, la unión inicial podría ser usada para determinados analitos. Los biosensores basados en enzimas, en algunos casos, son mostrados para ser superiores en selectividad para la afinidad de los biosensores. Esta tendencia se explica por la conversión del analito, la cual ocurre después del paso de unión inicial en conjunción con el movimiento de la amplificación y hace posible obtener gran sensibilidad en transductores amperométricos que también son menos sensibles a las interferencias no específicas de las uniones. Los sensores biomemorizados contienen polímeros activos catalíticamente debiendo exhibir características de sensor, a pesar de todo sólo una actividad catalítica modesta puede ser mostrada. La impresión

molecular de sustancias que parece reacciones de transición de estados ha conducido a exhibir polímeros con alguna actividad estereolítica; otros ejemplos de reacciones catalíticas incluyen la b -eliminación de HF de 4-fluoro-4-(p-nitrofenil)-2-butanona. Los polímeros conductores han sido usados como una selectividad rudimentaria en la partición de fases sobre electrodos y han sido mostrados como retención de memoria aniónica que se usa para el doping. Este efecto ha sido usado amperiométricamente y potenciométricamente y pueden ser correlacionados con los radios iónicos y la carga de los aniones testados. Los materiales exhibidos predeterminadamente para el reconocimiento molecular selectivo en combinación con la conductividad eléctrica se pueden usar en sensores electroquímicos y proveer las bases para una nueva línea de desarrollo de sensores introduciendo una nueva fusión de materiales constituidos e integrados para el reconocimiento de elementos y transductores. Ha sido presentada la preparación y caracterización de una composición de partículas conteniendo un polímero conductor eléctrico y un MIP para morfina. Las propiedades de reconocimiento molecular específico de morfina no fueron alteradas significativamente por el proceso de manufacturación, el cual envuelve un rudo tratamiento. Tales partículas fueron inmovilizadas por una simultánea electropolimerización de pyrrole sobre sustratos de sílice recubiertos con oro y los sustratos estudiados por una fuerza atómica microscópica. Estas demostraciones de la composición de partículas pueden ser eléctricamente conectadas al electrodo, obteniendo la integración entre el transductor y los lugares de reconocimiento sin el polímero. Esta nueva generación de MIP sensores biomemorizados es entre 100 y 1000 veces menos sensible que otros tipos de biosensores. A pesar de todo esto los MIPs tienen cada vez aplicaciones más útiles y probablemente encuentren su lugar en el futuro.

BIOCHIPS: Son elementos que aprovechan las características de los elementos biológicos células y neuronas para efectuar los trabajos que realizan los componentes puramente electrónicos. Un biochip es un dispositivo a pequeña escala, análogo a un circuito integrado, ensamblado o usado para analizar moléculas orgánicas asociadas con los organismos vivientes.

En teoría un biochip es una abeja construida de grandes moléculas orgánicas, tales como las proteínas, capaz de desempeñar las funciones de una computadora (almacenamiento de datos, procesamiento). Otro tipo de biochip, es un pequeño aparato capaz de realizar rápidas reacciones bioquímicas en escala reducida, con el propósito de identificar secuencias genéticas, agentes contaminantes, toxinas aerotransportables u otros elementos bioquímicos.

Historia de los biochips

A finales de los años 80, la tecnología que desembocaría en la plataforma GeneChip fue desarrollada por cuatro científicos, en Affymax: Stephen Fodor, Michael Pirrung, Leighton Read y Lubert Stryer. El proyecto original estaba destinado a la construcción de péptidos sobre chips, pero desembocó en la capacidad para construir secuencias de DNA sobre chips. La aplicación práctica de esta idea se llevó a cabo por la empresa Affymetrix, que comenzó a actuar como una compañía independiente en el año 1993. Los biochips, por tanto, surgieron de la combinación de las técnicas microelectrónicas y el empleo de materiales biológicos. Se basan en la ultraminiaturización y paralelismo implícito y se concretan en chips de material biológico de alta densidad de integración válidos para realizar distintos tipos de estudios repetitivos con muestras biológicas simples. Si en los microchips empleados en los ordenadores se consigue una alta densidad de integración de circuitos electrónicos en una oblea de silicio, en los biochips se logra una alta densidad de integración de material genético en una oblea de silicio, cristal o plástico. Los biochips están divididos en unas pequeñas casillas que actúan cada una a modo de un tubo de ensayo en el que se produce una reacción. El número de estas casillas es muy elevado, llegando incluso a los centenares de miles. Cada casilla del chip posee una cadena de un oligonucleótido, que puede corresponder a una sección del gen de estudio (cuando se conoce su secuencia) o a mutaciones del mismo. Debido a la extrema miniaturización del sistema se pueden analizar en un único chip todas las posibilidades de mutación de un gen simultáneamente. Solo aquellos fragmentos de DNA que hibriden permanecerán unidos tras los lavados y dado que se conocen las secuencias y posiciones de los oligonucleótidos empleados, tras los lavados se produce el revelado que consiste en introducir el

chip en un escáner óptico que va a ser capaz de localizar, mediante un proceso similar a la microscopía con focal, las cadenas marcadas con el fluorocromo. Un ordenador analiza la información procedente del escáner y ofrece el resultado. Otro tipo de diseño permite la cuantificación de la expresión de múltiples genes simultáneamente. La potencia de estos sistemas trae consigo la obtención, en tiempos muy breves, de grandes volúmenes de información, (secuencias, mutaciones, datos de expresión génica, determinaciones analíticas de interés clínico, screening con fármacos) que necesitan ser gestionados con técnicas bioinformáticas para extraer conocimiento de utilidad en la investigación biomédica. Parece que el futuro pasa por la integración de estas nuevas técnicas en el entorno clínico haciendo posible el concepto de análisis y diagnóstico en el "point-of-care". La revista Science destaca esta tecnología como uno de los 10 avances científicos más significativos del año 1998. La nomenclatura empleada para referirse a estas nuevas tecnologías es diversa y comienza por el término más general que es el de "Biochip" y hace referencia al empleo de materiales biológicos sobre un chip. Otros términos más específicos son: "DNA chip", "RNA chip" (según el material empleado) y "Oligonucleotide chip" o "DNA microarray", que hacen referencia al material y a la forma en la que se construye el chip. Existen también unos términos comerciales con los que referirse a los biochips que varían dependiendo de la tecnología empleada. Aplicaciones de los Biochips A pesar de ser una tecnología muy reciente y que, por lo tanto, está aún en vías de experimentación, actualmente los biochips están siendo aplicados en:

Monitorización de expresión génica: permite determinar cuál es el patrón de expresión génica y cuantificar el nivel de expresión de manera simultánea para un elevado número de genes. Esto permite realizar estudios comparativos de activación de determinados genes en tejidos sanos y enfermos y determinar así la función de los mismos. Detección de mutaciones y polimorfismos: Permite el estudio de todos los posibles polimorfismos y la detección de mutaciones en genes complejos. Secuenciación: Mientras que se han diseñado algunos biochips para secuenciación de fragmentos cortos de ADN, no existe aún en el mercado ningún biochip que permita secuenciar de nuevas secuencias largas de ADN. Diagnóstico clínico y detección de microorganismos: Posibilitan la identificación rápida empleando unos marcadores genéticos de los patógenos. 13

Screening y toxicología de fármacos: el empleo de los biochips permite el analizar los cambios de expresión génica que se dan durante la administración de un fármaco de forma rápida, así como la localización de nuevas posibles dianas terapéuticas y los efectos toxicológicos asociados. Seguimiento de terapia: los biochips permiten valorar rasgos genéticos que pueden tener incidencia en la respuesta a una terapia. Medicina preventiva: El conocimiento y posible diagnóstico de ciertos caracteres genéticos asociados a determinadas patologías permite una prevención de las mismas antes de que aparezcan los síntomas Ensayos con biochips

La metodología fundamental en un ensayo con biochips pasa por distintas etapas. El primer paso es diseñar el biochip, para ello previamente se debe seleccionar el material biológico que se pretende analizar y, en función de éste, se seleccionará el tipo y la cantidad de la sonda requerida. Una vez diseñado el biochip, puede ser fabricado por el propio investigador en su laboratorio; es lo que se denomina home-made-chip. No obstante, actualmente existen empresas especializadas en la fabricación seriada de biochips para análisis de distintas muestras biológicas. Seguidamente se procede a la fase de hibridación. En esta etapa se realiza la reacción de afinidad en la que se hibrida la sonda con la muestra a analizar. Finalmente, se procederá a la detección e identificación de la muestra, previamente marcada, que estará unida con la sonda inmovilizada en el biochip. La potencialidad de este sistema puede generar, en tiempos muy breves, una gran cantidad de información, como mutaciones, datos de expresión génica y cribado de fármacos; todo ello debe ser almacenado y analizado mediante técnicas de computarización. (Si queremos analizar la presencia de una mutación conocida en un determinado gen, las sondas utilizadas deberán corresponder a la secuencia complementaria de la mutación.) Una vez generado el biochip (con una sonda incorporada), se pone en contacto con secuencias del gen que se desea analizar y que previamente han sido marcadas fluorescentemente. Debido a la capacidad que presenta el ADN para hibridar las cadenas de la muestra que presenten complementariedad entre las sondas inmovilizadas en el biochip se unirán a ellas. Las demás quedarán libres en solución y posteriormente serán eliminadas mediante una serie de «lavados». Dado que se conocen las secuencias y posiciones de las sondas empleadas, tras el revelado del biochip mediante un escáner óptico, se localizarán las cadenas fluorescentes correspondientes a la secuencia del gen de estudio. Mediante un ordenador se

analizará la información procedente del escáner y se obtendrá el resultado como una matriz de puntos de diferentes colores e intensidades, representando dónde y qué cantidad de la secuencia de ADN analizada se ha unido con las sondas conocidas del biochip. Ventajas de los biochips

Los investigadores ven en estos dispositivos numerosas ventajas, ya que tienen un alto rendimiento y capacidad, baja relación de coste y eficacia, y alta especificidad y sensibilidad. Además, permiten realizar simultáneamente numerosos ensayos utilizando muestras distintas o múltiples ensayos con una única muestra. Por un lado, no se precisa el manejo de radiactividad, técnica muy utilizada en el mundo de la investigación, que presenta contraprestaciones en la salud del investigador. Por otro lado, no se precisa un plan de gestión de residuos, tal como ocurre actualmente en muchos laboratorios de investigación, principalmente debido a la utilización de material radiactivo. Sin embargo, la falta de estandarización de los procesos y la inversión inicial en las infraestructuras necesarias para llevar a cabo ensayos con biochips generan un coste muy elevado que todavía es de difícil amortización. Perspectivas de futuro

Parece que los biochips serán una herramienta futura fundamental en el mundo de la biología humana y en general en el mundo de la medicina. El Plan Nacional de Investigación, Desarrollo e Innovación aprobado por el Consejo de Ministros para el período 2000-2003 ha destinado a toda la genómica un presupuesto de unos 700 millones de pesetas, pero el equipo necesario para que un solo laboratorio fabrique biochips cuesta unos 150 millones de pesetas. Los cuatro laboratorios españoles más avanzados en el mundo de los biochips: el Departamento de Inmunología del Centro Nacional de Biotecnología, el Centro Nacional de investigaciones Oncológicas, el Instituto de Recerca Oncológica y el Hospital Clínico de Barcelona, han formado un consorcio para compartir los gastos de los equipos y materiales necesarios para la fabricación de éstos. Esto les permitirá prescindir de los biochips prefabricados y diseñarlos a su medida en función de sus líneas de investigación concentradas principalmente en el cáncer y el sistema inmunitario. Hasta ahora, una de las principales industrias en la fabricación de biochips, Affymetrix, ha sido la principal suministradora de éstos en los centros de investigación básica y en las grandes empresas farmacéuticas que los utilizan para el diseño de nuevos fármacos. Pero la amplia perspectiva que se ha abierto, como el diagnóstico genético, ha hecho que numerosas industrias se hayan interesado en

la fabricación de biochips, y no solamente industrias farmacéuticas, sino que grandes empresas del mundo de la electrónica están también desarrollando sus propios biochips.

COMPONENTES ÓPTICOS: Son componentes que aprovechan las características de la luz para desarrollar las tareas de los componentes electrónicos. En la actualidad existen componentes híbridos parte ópticos y parte electrónicos a esta tecnología se llama opto electrónica. La tendencia de la tecnología es lograr componentes totalmente ópticos (tecnología llamada optrónica o fotónica).

Computadora óptica

Una computadora óptica es una computadora que usa la luz en vez de la electricidad (es decir fotones en lugar de electrones) para manipular, almacenar y transmitir datos. Los fotones tienen propiedades físicas fundamentales diferentes a las de los electrones, y los investigadores han intentado hacer uso de estas propiedades, sobre todo usando los principios básicos de la óptica, para producir computadores con el desempeño y/o capacidades mayores que los de los computadores electrónicos. La tecnología de computadores ópticos todavía está en los primeros tiempos: computadoras ópticas funcionales han sido construidas en el laboratorio, pero ninguna ha progresado más allá de la etapa del prototipo. La mayoría de los proyectos de investigación se enfocan en el reemplazo de los componentes de computadora actuales por equivalentes ópticos, dando por resultado un sistema de computadora digital óptica que procesa datos binarios. Este acercamiento parece ofrecer las mejores perspectivas a corto plazo para la computación óptica comercial, puesto que los componentes ópticos podrían ser integrados en los computadores tradicionales para producir un híbrido óptico/electrónico. Otros proyectos de investigación toman un acercamiento no tradicional, intentando desarrollar enteramente nuevos métodos de computar que no son físicamente posibles con la electrónica.

Componentes ópticos para la computadora digital binaria

El bloque de construcción fundamental de computadores electrónicos modernos es el transistor. Para substituir componentes electrónicos por los ópticos, es requerido un "transistor óptico" equivalente. Esto es alcanzado usando materiales con un índice de refracción no lineal. En particular, existen materiales donde la intensidad de la luz entrante afecta a la intensidad de la luz transmitida a través del material, de una manera similar a la respuesta del voltaje en un transistor electrónico. Este efecto del "transistor óptico" es usado para crear puertas de lógica, que a su vez están ensamblados en los componentes de alto nivel del CPU del computador.

Ideas falsas, retos y perspectivas

Otra aclamada ventaja de la óptica es que puede reducir el consumo de energía, pero, sobre distancias cortas, un sistema de comunicación óptico típicamente usará más energía que uno electrónico. Esto es porque el ruido de disparo de un canal de comunicación óptico es mayor que el ruido de Johnson-Nyquist (también conocido como ruido térmico) de un canal eléctrico, lo que en teoría de la información significa que requerimos más energía de señal para alcanzar la misma capacidad de datos. Sin embargo, sobre distancias más largas y a mayores velocidades de datos, la pérdida en las líneas eléctricas es suficientemente mayor que en las comunicaciones ópticas, las cuales comparativamente usarán una cantidad de energía más baja. A medida que se eleva la velocidad de datos de comunicación, esta distancia llega a ser más corta y así la perspectiva de usar la óptica en sistemas de cálculo llega a ser más práctica. Un significativo desafío a la computación óptica es que el cómputo es un proceso no lineal, en el cual múltiples señales deben interactuar para computar la respuesta. La luz, que es una onda electromagnética, solamente puede interactuar con otra onda electromagnética en presencia de los electrones en un material, y la fuerza de esta interacción es mucho más débil para la luz de onda electromagnética, que para las señales electrónicas en una computadora convencional. Esto da como resultado que los elementos de procesamiento para una computadora óptica requieren más energía y mayores dimensiones que para una computadora electrónica convencional usando transistores.

Los instrumentos ópticos

Los instrumentos ópticos tienen como base conocimiento científico. La óptica es un sector de la física que analiza y explica la propagación de la luz y su interacción con la materia. Las leyes y la óptica física se mezclan con la óptica técnica e influyen la interpretación, el diseño y la fabricación de instrumentos ópticos. El instrumento óptico más conocido tiene su origen en la naturaleza: se trata del ojo humano. Su facultad de transformar ondas electromagnéticas con longitudes de onda de 380 nm hasta 780 nm, conocido también como luz visible, mediante fotoreceptores sobre la retina en impulsos nerviosos, que se transfieren al cerebro humano donde son procesados, permite al ser humano tener el sentido de la vista. Los mecanismos ópticos que posee el ojo humano son los que se usan en instrumentos ópticos. Mediante alteraciones de radios de curvatura y refracciones se manipulan la distancia focal y se enfocan los rayos de luz, lo que amplía los objetos. Microscopios, lupas, prismáticos o telescopios se basan en este simple principio. Normalmente se trata con este tipo de instrumentos de aparatos pasivos; es decir, que se requiere una fuente luminosa externa para este tipo de mediciones. Sistemas más complejos se usan por ejemplo en la técnica de satélites, donde se usan radiómetros y espectómetros para mediciones de intensidad y análisis espectrales. Además de los aparatos pasivos se usan en diferentes sectores también instrumentos ópticos activos. Por ejemplo, en los lectores de CD se usa un láser para leer la información registrada sobre la superficie de un disco. Otra tecnología conocida es el LIDAR (Light Detection And Ranging). Parecido al radar, pero usando impulsos láser, se utiliza para controles de velocidad, mediciones de distancia y detección de objetos. Los puentes de peaje instalados en autopistas alemanas o las pistolas láser usadas por la policía se basan en esta tecnología Principio de funcionamiento de los instrumentos ópticos

Instrumentos ópticos pasivos: Los componentes importantes de los instrumentos ópticos pasivos son las lentes ópticas. Las lentes ópticas son cristales transparentes con dos superficies que refractan la luz. La propiedad de refracción de la superficie se da por una curvatura cóncava o convexa. Si la superficie es plana no se refracta la luz. Si se observa un objeto a través de una lente, este se puede aumentar o disminuir, dependiendo de la curvatura de la lente. Una característica crucial de una lente es la distancia focal respectivamente el valor inverso y la refractividad, que se indica en la unidad dioptrías y que juega un papel importante en la clasificación de lentes para gafas. Esto

permite cambiar con lentes la distancia focal para adaptar la visión óptica de un objeto en su tamaño. Instrumentos ópticos activos: En contraste con los instrumentos ópticos pasivos, los instrumentos ópticos activos requieren una fuente luminosa propia. El principio base es la emisión de ondas electromagnéticas enfocadas, y la recepción del eco que se forma en la reflexión en objetos o superficies. Mientras que los sistemas de radar trabajan con ondas cortas de radio invisibles, los instrumentos ópticos envían impulsos electromagnéticos en el sector de luz visible (láser). Gracias a la relación entre el tiempo de propagación de la señal y la velocidad de la luz es posible realizar una medición de distancia precisa, determinar la velocidad y la reproducción de objetos.

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